Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Rádio Acesso
2 – Conceitos básicos
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 2
Elementos do Sistema Celular
BS/ERB - estação rádio base (ERB)
MSC/CCM - Centro de controle móvel
PSTN/RTPC - Rede de telefonia pública comutada
65
3
47
21
65
3
47
21
65
3
47
21
65
3
47
21
65
3
47
21
65
3
47
21
65
3
47
21
Área deServiço 1
Área deServiço 2
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 3
Freqüências (MHz)Transmissão da
Estação Móvel ERB
Banda A824-835
845-846,5869-880
890-891,5
Banda B835-845
846,5-849880-890
891,5-894
Banda D910-912,51710-1725
955-957,51805-1820
Banda E912,5-9151740-1755
957,5-9601835-1850
Subfaixas de Extensão
907,5-9101725-17401775-1785
952,5-9551820-18351870-1880
Alocação de bandas de freqüências no Brasil
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 4
Padrões para Interface Rádio - 1G e 2G
! AMPS ! Padrão analógico
! Trabalha na faixa de 800 MHz
! 30 kHz de espaçamento entre as portadoras
! 1 canal de tráfego por portadora (FDMA)
! TDMA IS-136 (D-AMPS)! Padrão digital desenvolvido para coexistir com o AMPS
! Trabalha nas faixas de 800 e 1900 MHz
! 30 kHz de espaçamento entre as portadoras
! 3 canais de tráfego por portadora (TDMA/FDMA)
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 5
Padrões para Interface Rádio - 1G e 2G
! GSM! Padrão digital utilizado na Europa.! Trabalha nas faixas de 900, 1800 e 1900 MHz! 200 kHz de espaçamento entre as portadoras! 8 canais de tráfego por portadora (TDMA/FDMA)
! CDMA IS-95! Padrão digital desenvolvido pela Qualcomm! Trabalha nas faixas de 800 e 1900 MHz! Utiliza a técnica do Spread Spectrum com espaçamento de 1,25
MHz entre as portadoras.! Até 64 canais (teórico) por canal de RF
CETUC-PUC/Rio 6
Técnicas de Acesso
• Um canal de comunicações tem capacidade suficiente, em termos
de largura de banda ou taxa de bits para transmitir diversos sinais
de diferentes usuários em comunicação simultânea.
• A questão é como combinar os diversos sinais, para transmissão
no mesmo canal e os separar do lado da recepção, recuperando as
informações individuais de cada usuário.
• Para isto podem ser utilizadas diferentes técnicas de
acesso (ou de multiplexação):
– Múltiplo acesso por divisão em frequência (FDMA)
– Múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA)
– Múltiplo acesso por divisão em código (CDMA)
CETUC-PUC/Rio 7
FDMA
• Os sinais de cada canal são transmitidos usando diferentes frequências centrais de portadora (RF ou rádio frequência)• Exemplo: AMPS (Advanced Mobile Phone System):– Sistema celular analógico com 932 canais de 30 kHz (42 canais para controle)– Bandas A e B com 25 MHz cada:12,5 MHz nos canais direto (base para móvel) e 12,5 MHz nos canais reversos (móvel para base )
CETUC-PUC/Rio 8
TDMA• Diversos canais utilizam a mesma frequência central de RF sendo transmitidos em diferentes intervalos de tempo– um maior número de canaispor portadora implica numamaior taxa de transmissão erequer maior faixa– os sistemas TDMA são, defato, TDMA/FDMA• Exemplo: D-AMPS, GSM
CETUC-PUC/Rio 9
CDMA• Sinais de banda estreita de cadacanal são combinados comdiferentes sinais pseudoaleatóriosde faixa larga (código).• Os sinais resultantes são transmitidos durante todo o tempo sobre toda a faixa defrequências.• No receptor, a multiplicação do sinal pelas mesmas sequências ortogonais permite separar os diferentes canais.• Exemplo: CDMA padrão celularIS-95
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 10
Canalização da faixa de 800 MHz
Canais do enlace reverso (móvel para rádio-base)
824 825 835 845 846,5 849 MHz
869 870 880 890 891,5 894 MHz
# 1 333 666 716 799
991 1023
# 1 333 666 716 799
991 1023
Canais do enlace direto (rádio-base para móvel)
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 11
Formando padrões regulares de células
triangular quadrado hexagonal
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 12
Geometria de padrões regulares
! Referência para posição das
células:! eixos (u;v) unindo centros de
células adjacentes;
! distância unitária sobre os eixos
= distância celular
! exemplos: (u1;v1)=(1;2) e
(u2;v2)=(3;-1)
! Distância entre células! D=(i2+ij+j2)1/2 dist. unitárias
onde i=(u2-u1) e j=(v2-v1)
! no exemplo
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 13
Formando clusters de células
! Cluster: grupo de células que utilizam todos os subconjuntos
distintos do total de canais do sistema.
1
cluster de sete células7 subconjuntos de freqüências
56-57 canais por células
cluster de uma célulaum único conjunto de freqüências
395 canais
54
2
31
76
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 14
Fator de reuso e distância de reuso
! Fator de reuso N: número de células por
cluster (número de subconjuntos em que os
canais totais são divididos)
! Distância de reuso D: distância entre
células de clusters adjacentes que utilizam
os mesmos canais (co-células);
! Clusters com simetria hexagonal tem
distâncias de reuso iguais tornando a
interferência bem distribuída;
! Para que exista simetria hexagonal
N=D2/3R2=i2+ij+j2 onde i e j são inteiros.
1
7
2
1
4
5
3
6
1
1
7
2
4
5
3
6
7
2
4
5
3
6
1
1
7
2
4
5
3
6
7
2
4
5
3
6
1
7
2
4
5
3
6
7
2
4
5
3
6
D
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 15
Número de células por cluster
! Seja a a área de uma célula hexagonal e A a área de um
cluster hexagonal:
clustercélula
D/2
R
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 16
Razão de reuso q
! Raio da célula: R! Distância de reuso D: distância entre co-células! Co-células: células que utilizam o mesmo conjunto de canais ! Razão de reuso: q2=(D/R)2 =3N
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 17
Cálculo de interferências
! O problema básico do planejamento celular é o
compromisso entre a maximização da capacidade e a
minimização da interferência entre co-células.
! Para estimar a interferência é necessário considerar um
modelo de propagação no canal rádio de sistemas
móveis celulares.
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 18
Propagação em regiões urbanizadas
! Em regiões urbanizadas a propagação envolve três
mecanismos: visada direta (nem sempre existente),
difração múltipla e reflexões múltiplas.
! O sinal sofre flutuações acentuadas em função dos
deslocamentos do móvel em relação à radio base.
! A potência média recebida pelo móvel depende da
potência transmitida, das alturas de antenas e cai com a
distância elevada a um expoente que depende do grau
de urbanização.
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 19
grandes obstáculos determinam o
comportamento em larga escala do sinal
sombreamento multipercurso
mecanismos (especialmente reflexão)
determinam o comportamento em pequena
escala do sinal
Propagação em regiões urbanizadas
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 20
! O sinal é composto por três elementos
d-!
queda do nível do sinal com
a distância
+
atenuação de
propagaçãovariações lentas variações rápidas
+
efeito de sombreamento efeito de
multipercurso
Composição do sinal no canal rádio-móvel
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 21
Modelos de propagação
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 22
Interferência em sistemas celulares
interferência ERB-móvel (downlink)
interferência móvel-ERB (uplink)
primeiro anel
célulainterferente
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 23
Cálculo de capacidade
! No planejamento de sistemas celulares objetiva-se
maximizar a capacidade de tráfego.
! A capacidade de tráfego é função do número de canais
por célula ou setor e do grau de serviço desejado.
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 24
Conceitos básicos de tráfego telefônico
! Unidades de intensidade de tráfego
1 Erlang = 1 circuito em uso por 60 min
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 25
Conceitos básicos de tráfego telefônico
! Probabilidade de bloqueio (modelo Erlang B)
! Grau de serviço (GOS)
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 26
Tabela de tráfego
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 27
Setorização
! A interferência pode ser reduzida utilizando-se antenas
diretivas.
! A técnica é conhecida como setorização e consiste em
dividir cada célula em setores iluminados utilizando-se
antenas diretivas, e designar a cada setor um sub-
conjunto de freqüências.
! Na prática são utilizadas divisões em 3 ou 6 setores .
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 28
Redução da interferência - 3 setores
dois interferentes por setor
interferência ERB-móvel (downlink)interferência móvel-ERB (uplink)
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 29
Redução da interferência - 6 setores
um interferente por setor
interferência ERB-móvel (downlink)interferência móvel-ERB (uplink)
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 30
Planos de frequência - Omni 7/21
! 21 grupos de canais, cada um incluindo um canal de controle
! 7 células por cluster, cada uma recebendo 3 grupos de canais (J, J+7 e J+14, onde J é o número da célula)
11,8,15
66,13,20
33,10,17
44,11,18
22,9,16
55,12,19
77,14,21
11,8,15
66,13,20
33,10,17
44,11,18
22,9,16
55,12,19
77,14,21
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 31
Plano Omni 7/21
! Capacidade! n = (416-21)/7 = 56 canais de voz por célula
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 32
Plano 7/21 setorizado em 1200
1 8
15
2 9
16
6 13
20
7 14
21
4 11
18
3 10
17
5 12
19
! Interferência cocanal
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 33
! Capacidade! n = (416-21)/21 = 18 canais de voz por setor
Plano 7/21 setorizado em 1200
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 34
Plano 4/24 setorizado em 1200
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
A1-4
A3-6
A2-5
B1-4
B3-6
B2-5
C1-4
C3-6
C2-5
D1-4
D3-6
D2-5
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 35
! Plano Omni 4/24
Plano 4/24
CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 36
! Plano 7/21 omni
Plano 7/21 vs. Plano 4/24